생글생글

과학 기타

폭염

“염소 뿔도 녹는다”라는 속담이 있다. 이는 대서(大暑)에 단단한 염소 뿔도 녹아내린다는 뜻으로 그만큼 대서가 더위의 절정에 도달하는 시기라는 뜻이다. 대서는 24절기 중 12번째로 소서(小暑)와 입추(立秋) 사이에 대서가 위치한다. 절기상 대서인 7월23일 경북 경산의 낮 최고 기온이 섭씨 39.9도까지 치솟았고 서울 서초구가 37.4도를 기록했다.33도 이상이 이틀 연속이면 ‘폭염’폭염(暴炎)과 폭서(暴暑)는 비슷한 의미를 갖는 단어이지만, ‘불 화(火)가 두 개 붙어 있는 염(炎)은 불탈 염’이라는 뜻을 갖고 있으며 하루 중 최고온도 기준으로 33도가 이틀 연속 지속되면 폭염주의보가, 최고온도 35도가 이틀 연속 지속되면 폭염 경보가 내려진다. 폭염은 일 최고온도를 기준으로 33도 이상으로 보는 것이 맞지 않을까 생각한다.올해 지구의 북반부 전역에서 고온 현상이 나타났으며, 특히 우리나라는 사망자가 3384명, 전국적으로 폭염일수가 31.1일이었던 1994년의 폭염 기록을 갈아치웠다. 하지만 폭염으로 인한 사망자 수가 1994년에 비해 큰 폭으로 줄었다는 것은 참으로 다행이다. 1994년 에어컨 보급률이 10% 이상이었는 데 비해 올해 에어컨 보급률이 50% 이상을 넘어설 것으로 예상되며, 에어컨의 보급률 증가로 인해 폭염으로 인한 사망자 수가 1994년에 비해 줄었다고 한다.올해 폭염의 원인은 열돔(heat dome) 현상 때문이라고 한다. 열돔 현상은 지상에서 약 5~7㎞의 상공에서 발달한 북태평양 고기압과 티베트 고기압이 한반도에 정체되면서 반원 형태의 열 막을 형성해 뜨거운 공기를 지면에 가둬놓는 기상현상을 말한다.기상현상은 다양하고 복합적인 원인과 변수에 따라 달라질 수 있다.

과학 기타

산화환원 반응 (2)

최초 지구의 대기에는 산소 기체가 없었다. 그러나 해양 식물들의 출현과 광합성으로 대기조성이 바뀌어 산소 기체가 많아지게 되었고 일부는 성층권의 오존층에서 태양에서 나오는 강한 자외선을 차단하는 역할을 하면서 해양 생물들이 육지로 올라갈 수 있는 환경을 만들었다. 오랜 시간 진화를 거치면서 현재 지구의 생명체들은 산소 기체가 없는 환경을 상상할 수 없게 되었다.지구를 바꾼 화학반응통합과학 교과서에서는 ‘광합성’과 ‘철의 제련’, 그리고 ‘화석 연료의 사용’ 등을 지구와 생명체의 역사를 바꾼 화학 반응으로 보고 있다. 이번 시간에는 ‘철의 제련’과 ‘화석 연료의 사용’에 대하여 이야기해 보겠다.지각에 가장 많이 존재하는 원소는 산소(O)이지만, 금속인 철(Fe)은 철광석(Fe2O3)의 형태로 어디서든지 구할 수 있을 정도로 넓은 지역에 분포되어 있다. 순수한 철을 얻는 제련 과정은 쉬운 일은 아니다. 철의 제련은 철광석(Fe2O3)에서 산소를 빼내는 환원 반응이며, 인류는 얻기 쉬운 구리 금속을 먼저 사용하면서 청동기 시대를 열었다. 시간이 많이 지난 후에야 철을 사용하게 되며 철기 시대가 열린 것이다.철기 시대와 화학2007년 드라마 ‘주몽’에서는 주몽이 고구려를 건국하는 과정을 재미있게 보여 주었다. 하지만 나에게 재미있던 볼거리는 한나라의 철기 군에 맞서기 위해 ‘주몽’과 ‘모팔모’가 힘든 역경을 모두 이겨내고 강철검을 만드는 과정이었으며, 철기 시대 생활 풍습과 권력 구도의 변화 과정을 표현하려 노력했던 것으로 기억된다.드라마에서 ‘모팔모’는 철기방에서 산화철 형태의 철광석(Fe2O3)을 숯(

과학 기타

"연소는 산소와 결합하는 산화환원 반응… 생명에 변화를 가져오는 화학작용이죠"

통합과학 3단원 “변화와 다양성”에서는 화학 변화와 생물의 다양성과 유지를 중심으로 학습 내용을 전개하고 있다. 화학 변화에서는 우리 주변에서 일어나는 다양한 변화 중에서도 산화환원 반응과 중화 반응을 주로 다루는데, 이 두 반응은 물질의 성질이 바뀌는 화학 변화이며, 생명 활동에 관여하는 중요한 반응이라는 공통점을 가지고 있다. 또한 현재까지 지구상에 다양한 생물이 나타났다 사라지는 과정을 생명과학과 지구과학의 관점을 통해 설명하고 있다.산화환원 반응과 중화반응최초 지구의 대기는 수소(H)와 헬륨(He) 기체로 이루어졌을 것으로 추정되며, 시간이 지날수록 지구의 대기는 내부에서 분출되는 기체인 수증기, 이산화탄소, 질소 등으로 채워졌을 것이다. 시간이 많이 지난 뒤 지구가 냉각되면서 수증기는 응결되어 지표면의 바닥에 모이면서 원시해양이 만들어졌다. 이산화탄소(CO2) 기체는 물에 녹아 산성을 나타낸다. 이 때문에 산성 상태인 원시해양에 용해되질 않아 이산화탄소는 대기 중에 많이 존재했을 것이다. 그 뒤 원시해양이 중성으로 변하면서 대기의 이산화탄소는 원시해양에 서서히 녹아 들어가 현재 대기의 이산화탄소 비율과 같아졌을 것이다.지구가 생성된 이후 한참 뒤에 생성된 산소기체(O2)이지만 잠시라도 산소기체가 없는 지구상 모든 생명체의 모습을 상상하기 힘들 정도로 산소기체는 모든 생명체의 삶을 영위하는 데 매우 중요한 물질이다. 원자번호 8번인 산소원자(O)는 공유결합을 하면서 산소기체(O2)가 생성되며, 현재 대기의 18% 정도를 차지하고 있으며 반응성 또한 큰 기체이다.산소와 결합 또는 분리석회(CaO)처럼 금속 원자가 산소와 결합된 물질

과학 기타

안전장치 2

물체들의 충돌은 관성, 운동량과 충격량 등의 과학적 원리와 밀접한 관계가 있다. 이 때문에 우리의 안전을 지켜주는 안전장치에는 관성, 운동량과 충격량 등의 다양한 과학적 원리가 활용되는 사례가 많다. 이번 시간은 운동량과 충격량이 활용된 안전장치들의 과학적 원리에 대하여 이야기하려 합니다.안전장치와 운동법칙운동하던 방향으로 그 운동을 계속 유지하려는 관성의 법칙에 의해 자동차는 정지하더라도 운전자는 계속 운동 방향으로 나가려 한다. 안전장치가 없다면 운전자는 자동차 내부와 충돌하든지 혹은 자동차 밖으로 튀어 나가게 된다. 자동차 안전띠는 충돌 사고에서 관성을 방해하여 운전자를 지켜주는 안전장치이다. 이처럼 관성을 방해하는 안전장치 이외에도 운동량과 충격량을 이용한 안전장치도 있다.위에서 아래로 떨어지는 어떤 물체의 역학적 에너지는 일정한 값을 유지하게 되지만 떨어지는 물체가 바닥에 가까워지면서 위치에너지(mgh)가 운동에너지(½mv2)로 전환되며 물체의 속도는 점점 증가하게 되며 ‘물체의 질량(m)과 그 물체가 갖고 있는 속도(v)의 곱으로 얻어지는 물리량인 운동량(P=m×v)’도 점점 증가하게 된다. ‘운동량 변화(△P)는 질량(m)에 속도의 변화량(v2-v1)을 곱한 값’으로 나타낼 수 있다. 어떤 물체가 바닥에 닿는 순간 비커의 운동을 방해하는 힘(F)에 의해 정지하게 되면서 운동량이 0이 되면서 운동량의 변화량은 충격량으로 바뀌며 물체에 모두 전해지게 되며, 그 힘에 의해 깨지게 된다.운동량이 충격량으로 바뀔 때하지만 위와 같은 물체를 침대 매트리스 위에 떨어뜨리면 바닥에 떨어질 때까지 운동량의 변화는 위와 똑같지만 운동

과학 기타

안전장치 1

황하, 이집트, 인더스, 메소포타미아 지역은 우리가 잘 알듯이 4대 문명의 발상지이다. 메소포타미아는 현재의 이라크를 중심으로 시리아 동북부와 이란 서남부 지역을 말하며, 이 지역을 중심으로 번영한 고대 문명을 메소포타미아 문명이라 한다. 인류가 처음으로 사용한 바퀴의 기록은 메소포타미아 문명에서 찾을 수 있다. 그릇을 빚는 도자기의 물레로 처음 사용된 것으로 기록돼 있다. 바퀴의 발명은 운송 수단에 큰 변화를 가져오는 계기가 됐다.메소포타미아와 바퀴문명이탈리아의 레오나르도 다빈치(1452~1519)가 발명한 태엽 자동차를 시작으로 폴란드의 시몬 스테빈(1548~1620)은 큰 돛을 달고 바람에 의해 움직이는 풍력자동차를 발명했다. 1769년 프랑스군 장교였던 니콜라 조제프 퀴뇨(1725~1804)는 대포를 끌고 다닐 목적으로 최초로 3륜 증기 자동차를 만들었지만 작동이 쉽지 않고 브레이크가 없어 위험했다. 하지만 증기기관의 발명으로 자동차의 모양은 현재와 비슷한 모양을 갖추게 됐다. 그 후 카를 벤츠(1844~1929)는 최초로 휘발유를 연료로 하는 3륜 자동차를 발명했다.독일의 루돌프 디젤(1858~1913)이 디젤 엔진 발명을 통해 에너지의 효율과 안정성을 높였으며, 미쉐린 형제가 자동차용 공기 주입식 타이어를 발명하는 등의 과정을 거치면서 자동차는 점점 진화했다.자동차와 안전현재까지 화석 연료의 연소를 통해 에너지를 얻었고 이렇게 얻은 에너지를 요리, 공장, 자동차 등에서 사용했다. 하지만 화석 연료의 가장 큰 문제점인 한정된 자원량과 지구 온난화 등 환경문제에 직면했다. 고갈돼 가는 화석 연료 문제 해결과 환경 보호 등을 목표로 가까운 미래에 인류는 화석 연료의 연소가 아니

과학 기타

단백질과 DNA

2007년 방영된 “태왕사신기(MBC)”라는 드라마는 주인공 ‘담덕(훗날 광개토대왕)’이 “청룡(靑龍)의 창, 주작(朱雀)의 홍옥, 현무(玄武)의 지팡이, 백호(白虎)의 쇠도끼’ 등 네 개의 신물을 찾고 고구려의 태왕이 된다는 내용이었다. 여기서 백호는 벵골 호랑이의 변종으로 “붉은색소와 노란 색소 합성에 필요한 효소(단백질)의 결핍”으로 흰색 털을 가졌고, 이로 인해 등에 검은 줄무늬가 진하게 보인다. 아미노산과 펩타이드 결합백호의 흰색 털은 위장 역할을 제대로 하지 못하기 때문에 사냥에 불리하게 작용하고, 유전병 등으로 사망률도 높다. 그러나 효소(단백질)의 부족 혹은 결핍으로 흰색 털을 가진 백호를 영험하고 신비한 능력을 지닌 호랑이로 생각해 신화나 설화에 등장하기도 한다.단백질(蛋白質)은 기본 단위체인 아미노산이 펩타이드 결합으로 형성된 고분자 화합물로 주요 구성 원소는 C, H, O, N, S이다. 세포의 주요 구성 성분으로 신체를 이루는 주성분이며, 에너지를 제공하는 3대 영양소 중의 하나이며, 생체 내 물질대사의 촉매(효소) 작용을 통하여 생명 현상을 유지하는 물질이다.식물은 단백질을 스스로 합성식물이나 미생물은 뿌리혹박테리아 혹은 질소 고정 등의 방법을 이용하여 뿌리로 암모늄이온(NH4+) 형태로 질소(N) 원자를 흡수하여 필요한 단백질을 스스로 합성할 수 있다. 반면 공기 중의 약 78%를 차지하는 질소 기체(N2)는 매우 안정적으로 반응성이 거의 없는 기체이다. 동물과 사람은 호흡으로 공기 중의 질소 기체가 몸 안으로 들어오지만 그대로 밖으로 배출하게 된다. 호흡으로는 질소 원자를 얻을 수 없어 동물과 사람은 음식물을 통해 단백질

과학 기타

세포막

세포 안과 밖의 경계로 세포를 둘러싸는 얇은 막을 ‘세포막(cell membrane)’이라고 한다. 세포막은 외부와의 물질 교환 등 주위 환경과 상호 작용을 하고 있으며 외부의 신호를 감지하는 등 세포의 기능 유지에 필수적인 역할을 하고 있다.내부와 외부를 연결한다유동 모자이크 모델에 의하면 “세포막의 주성분인 인지질은 친수성(親水性)인 머리와 소수성(疏水性)인 꼬리 부분을 동시에 갖고 있다. 머리 부분은 친수성 부분이라 세포의 바깥쪽인 물() 쪽을 향하고 있으며, 꼬리 부분은 소수성이라 세포의 안쪽에서 서로 마주보며 배열되는 이중층 구조를 갖는다. 다양한 종류의 단백질이 인지질의 이중층에 박혀 있으며, 단백질은 물질 수송, 세포 안팎으로의 신호 전달 등 다양한 기능을 담당하고 있다.”‘촉진 확산’은 이온이나 분자의 크기가 큰 수용성 물질들이 세포막에서 이동하는 과정을 나타내는 말이다. 이 과정에서 단백질이 이런 특수물질만을 통과시키는 역할을 한다. 구체적으로는 포도당, 아미노산, Na+, K+ 등이 ‘촉진 확산’을 통해 세포막을 통과하게 된다. 에너지(ATP)를 사용하는 물질의 이동 방법으로 보면 된다.촉진확산과 단순확산크기가 매우 작은 기체 분자나 지용성 물질은 세포막 인지질의 이중층을 직접 통과하여 확산할 수 있는데, 이를 ‘단순확산’이라 한다. ‘단순확산’은 인지질의 이중층을 직접 통과하므로 에너지(ATP)를 사용하지 않는 물질의 이동 방법이다. 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나는 산소나 이산화탄소의 교환이 여기에 해당된다.세포막은 효소로도 작용하고, 세포 내부의 물질대사에 관여하며, 세포 외부의 화학 물질들을

과학 기타

세포

지구에 사는 생물과 그들이 서식하는 영역을 생물권(生物圈)이라고 한다. 지구에는 인간을 비롯해 동물, 식물, 미생물 등 수많은 종류의 생물이 살고 있으며, 지권, 수권, 기권 등 넓은 범위에 생활하고 있다. 기권의 이산화탄소는 식물의 광합성에 반드시 필요한 물질이며, 토양은 식물에 무기 양분을 제공하고 땅속 생물의 터전이다. 수권은 생물에게 물을 제공하는 등 생물권은 기권, 수권, 지권과 지속적인 상호 작용을 하고 있다.세포는 핵·세포질·세포막으로 나뉜다생물권에서는 세포(cell)가 모여 조직(組織)을 이루고, 조직이 모여 특정한 형태와 기능을 갖고 있는 기관(汽管)을 이루는 등의 단계를 거치면서 하나의 독립된 생물체인 개체(個體)가 된다. 이렇게 생물은 살아가는 데 필요한 독립적인 기능을 갖춘다. 생물 개체는 서로 다른 기능을 하는 기관이라는 구성 요소가 상호 작용하는 생명 시스템이며, 세포는 모든 생명 시스템의 기본 단위가 된다.“세포는 기본적으로 핵, 세포질, 세포막으로 구성되어 있다. 세포질은 핵을 제외한 세포를 채우는 기질로 다양한 세포 소기관을 가지고 있다. 이 속에서 세포의 생명 활동이 활발하게 일어난다. 세포질에는 미토콘드리아, 엽록체 등과 같은 세포 소기관이 들어 있다. 식물 세포의 경우 동물 세포와 달리 엽록체가 있으며, 세포벽이 세포막을 둘러싸고 있다”라고 배웠다.남조류·세균류는 원핵세포동물과 식물의 기본 단위인 세포는 모두 유전 물질인 DNA(Deoxyribonucleic acid)를 갖고 있으며, 세포의 생명 활동을 조절하는 중추 역할을 하는 핵을 갖고 있다. 세포는 원핵세포와 진핵세포로 구분된다. 남조류와 세균류 등은 핵과 세포질